FCT: DEE - Dissertações de Mestrado
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- Modeling Factory Floor Components Using Asset Administration Shells for Modular and Collaborative Cyber-Physical Production SystemsPublication . Martins, Luís Miguel Pinto; Rocha, André; Oliveira, FábioThe shift toward modular and reconfigurable manufacturing systems under the Indus- try 4.0 paradigm demands standardised digital representations of factory assets to support flexibility, interoperability, and adaptive control. This dissertation investigates the use of Asset Administration Shells (AAS) as a foundation for modeling factory floor components within Cyber-Physical Production Systems (CPPS). A skill-based, AAS-driven architecture is pro- posed, enabling production processes to be defined as declarative skill requirements and matched at runtime to the capabilities of heterogeneous assets through shared semantic iden- tifiers. The framework models not only products but also production machines and transport systems, supporting easy reconfiguration and dynamic adaptation. To validate the approach, a complete prototype was developed and tested using a Fischertechnik factory simulation kit. A Python-based orchestrator coordinates the production flow by querying AAS servers for capabilities, constraints, transport interfaces and communication endpoints, executing multi- step process plans without hardcoded logic. Fault injection tests were used to validate system behaviour under machine failure, parameter mismatch, and runtime reconfiguration. The re- sults demonstrate the feasibility of AAS-based control for modular production, while also highlighting practical challenges related to semantic standardisation, tooling limitations, and runtime infrastructure robustness.
- Application of Predictive Quality Systems in Multi-Stage SystemsPublication . Cardoso, João Pedro Ceia da Silva Rosa; Rocha, André; Silva, BrunoThe evolution of technology in recent years has had a significant impact on various sectors of society. One of the most affected sectors is the industry sector, which has greatly benefited from this technological advancement. A new paradigm, known as Industry 4.0, has emerged, making industrial processes more intelligent, autonomous, and flexible. For any company to thrive in this competitive landscape, adaptation to this new reality is essential. The increase in competitiveness has required the adherence to strict standards of excellence. Among these, product quality stands out as a critical factor that not only determines the economic success of a company but also influences the broader economic landscape of society. One of the key applications of Industry 4.0 is product quality control. This field is responsible for ensuring that the final product’s quality is maximized through the integration of cutting-edge technologies. To guarantee this quality, predictive models are employed to estimate the final product’s characteristics based on his intermediate conditions and the surrounding production environment. However, this predictive process becomes increasingly complex in manufacturing systems, where the final product is a result of various operations in multiple stages. Identifying the source of errors is crucial for improving the accuracy of quality prediction models. Multi-Stage Manufacturing Systems pose a significant challenge in error detection due to the vast number of variables involved in the production process. In this project, a predictive quality system was developed and validated for a multi- stage process. The system was tested in a laboratory 3D printing scenario.
- Indústria Alimentar 4.0. Digitalização do Processamento Alimentar Recorrendo à RAMI 4.0Publication . Carraça, Cátia Maria Salas; Rocha, André; Arvana, MiguelA modernização da indústria agroalimentar, impulsionada pelos princípios da Indústria 4.0 (I4.0), apresenta tanto desafios como oportunidades para a transformação digital dos processos de produção. No entanto, a adoção de novas tecnologias ainda enfrenta obstáculos, como os elevados custos de implementação, a falta de padronização e as dificuldades de integração entre sistemas. Este estudo explora a Reference Architectural Model Industrie 4.0 (RAMI4.0) e as Asset Administration Shells (AAS) como uma aborgadem estruturada para a digitalização do setor. Além disso, investiga o papel dos Digital Twins (DT) e da Internet of Things (IoT) no retrofit. Através da aplicação destas tecnologias, procura-se melhorar a integração de sistemas, aumentar a eficiência operacional e garantir uma maior transparência no processamento alimentar. A proposta desenvolvida centra-se na aplicação da RAMI 4.0 e das AAS num caso de estudo real, correspondente à etapa de secagem no fabrico de enchidos. Para esse efeito, foi realizado um retrofit numa câmara de secagem industrial, originalmente sem conectividade externa, através da integração de sensores IoT para monitorização contínua de parâmetros críticos, como o peso, a temperatura e a humidade. Os dados recolhidos foram integrados num sistema baseado em AAS, suportado por uma arquitetura modular e por uma interface web para gestão e visualização da informação. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade da solução proposta, evidenciando a correta aquisição, armazenamento e visualização dos dados do processo, bem como a capacidade de caracterizar e analisar o comportamento da etapa de secagem em contexto real de produção. A implementação permitiu validar a aplicabilidade do RAMI 4.0 e das AAS no setor agroalimentar, comprovando que a padronização contribui para a redução da complexidade da transformação digital, ao mesmo tempo que aumenta a escalabilidade, a interoperabilidade e a reutilização da solução desenvolvida.
- Influência de solos marginais na produtividade e no balanço energético da utilização de sorgo para energiaPublication . Magalhães, Evandra Rossana da Silva; Fernando, AnaA presente dissertação analisa a influência dos solos marginais na produtividade, na qualidade da biomassa e no balanço energético do sorgo ( Sorghum bicolor L. ), avaliando o seu potencial como cultura energética sustentável. O estudo baseou-se na análise comparativa de artigos científicos dedicados à produtivi- dade e à qualidade da biomassa e em cálculos energéticos realizados para diferentes rotas de conversão: combustão, cogeração (CHP), gaseificação, pirólise, fermentação alcoólica e hidró- lise/fermentação lignocelulósica. A energia de entrada total no cultivo do sorgo foi estimada em 12,6 GJ/ha, incluindo consumos de gasóleo, fertilizantes, sementes, pesticidas e maquinaria. Consideraram-se dois cenários de produtividade: 4 t/ha, representando solos marginais com limitação hídrica ou nutricional, e 45 t/ha, correspondendo a condições edafoclimáticas favoráveis. Os resultados mostram que, em solos marginais (4 t/ha), as rotas termoquímicas mantêm viabilidade energética, com NER entre 1,2 e 4,3, enquanto as rotas bioquímicas (fermentação e hidrólise) apresentam NER < 1, refletindo balanços negativos. Já em condições ótimas (45 t/ha), todas as rotas se tornam energeticamente favoráveis, com destaque para a combustão (NER ≈ 41,2), cogeração (NER ≈ 24,1) e pirólise (NER ≈ 6,9). A análise global confirma o baixo custo energético do sorgo face a outras culturas bioe- nergéticas (como milho e miscanthus), aliado à sua elevada eficiência fotossintética, tolerância ao stress hídrico e capacidade de cultivo em solos pobres. Conclui-se que o sorgo constitui uma alternativa sólida e sustentável para a produção de bioenergia, capaz de transformar áreas degradadas em sistemas produtivos, contribuindo para a valorização de solos marginais, a redução das emissões de gases com efeito de estufa e o avanço da transição energética.
- Robotic manipulation of soft-tissues in agri-food processingPublication . Fino, Diogo Lúcio; Rocha, André; Freitas, Nelson; Arvana, MiguelMany challenges in the food industry have arisen from the rapidly growing population increasing the food demand and, by consequence, creating a need to produce higher quan- tities of food products. Additionally, the growing concerns about climate change and the increased environmental awareness among the population have created requirements for the industry in the food sector to adopt more efficient practices with lower environmental impacts. To combat these problems, many businesses have deployed robotic systems, which have already proven to be an effective way to boost productivity rates and reduce the creation of waste. In the food industry there is also the concern with hygiene and po- tencial contamination problems, these concerns create some challenges for the employed robotic systems. The proposed work for this dissertation is the creation of a robotic system to manipulate food products, specially smoked and cured meats like chouriço. The system is composed of two parts, one dedicated to the manipulation and the other dedicated to the vision capabilities of the system in order to identify and locate the various food items. The manipulation part of the system is composed of fin ray effect gripper, 3D printed using TPU filament. This type of gripper is capable of deforming around object creating a more secure grasp on the various products, while limiting the risk of damage to them. The developed object pose estimation algorithm, for the vision part of the system, makes use of certain keypoints on the products to calculate their pose in relation to the camera system. This approach does not require complex data about the objects to be detected, like point clouds. It just the requires a general knowledge about the shape of the products. The developed fin ray effect gripper proved to be adequate in handling the three chosen test products. The developed object pose estimation algorithm archived a success rate of around 80% for products that lay flat on the workspace table. Around the same success rate for the products that present an angle against the table. And a lower rate, of around 72% in cases of overlapping products.
- Desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos em Unidades de Produção para o Autoconsumo. O papel do Programa de Apoio a Edifícios Mais Sustentáveis 2021 e possíveis ajustes de mercado.Publication . Portela, Murilo Correia; Gouveia, JoãoO aumento do efeito estufa e aquecimento global são problemas que requerem esforços cada vez maiores dos líderes mundiais. Traçar planos e metas com objetivos claros que viabi- lizem a descarbonização do setor energético é vital para evitar catástrofes ambientais. Nesse sentido, a busca por energias renováveis tem se intensificado, desenvolvendo assim novas tecnologias, leis de incentivo, programas governamentais e estimulando um mercado com grandes potencialidades. Portugal possui uma característica peculiar dentro do cenário europeu, pois a irradiação solar na maior parte do seu território é superior às médias do continente. O avanço da produ- ção de energia solar fotovoltaica encontra amparo na geração descentralizada, por meio de incentivos às Unidades de Produção para Autoconsumo (UPAC). O Programa de Apoio a Edi- fícios Mais Sustentáveis (PAEMS), promovido pelo Fundo Ambiental, teve um grande papel no desenvolvimento desse setor em sua primeira fase (2020), além de ajudar a fomentar a eco- nomia em período de crise devido à pandemia COVID-19. É nesse contexto de crise e oportunidades, que este trabalho tem como objetivo princi- pal avaliar a contribuição da segunda fase do PAEMS no desenvolvimento do setor downs- tream da produção de energia fotovoltaica destinada a UPACs. E ainda, de forma secundária, analisar as mudanças de comportamento do mercado e propor cenários para futuros apoios. A análise foi efetuada tendo por base informação da elaboração de 470 projetos em diversas localidades de Portugal, sendo 436 de sistemas fotovoltaicos com e sem armazena- mento de energia e 34 de bombas de calor, serviu como base de dados para análises neces- sárias no desenvolvimento deste trabalho. A comparação entre as tipologias criadas permitiu concluir que sistemas fotovoltaicos com armazenamento de energia destinados a UPACs re- sidenciais ainda não apresentam vantagem financeira se comparados com o dimensiona- mento de sistemas sem baterias para a mesma habitação. O PAEMS favorece o dimensiona- mento de sistemas fotovoltaicos sem baterias integrados com bombas de calor, tornando o investimento mais rentável e o projeto mais eficiente em termos energéticos. O mercado do setor downstream fotovoltaico em Portugal tem crescido, se beneficiado do PAEMS e está ajudando a movimentar a economia do país.
- Design and Implementation of a Framework to Detect IC Security Weaknesses and VulnerabilitiesPublication . Fernandes, Margarida Tavares; Oliveira, João Pedro Abreu deModern digital systems are built from millions of lines of hardware description code. Like software, these designs may contain vulnerabilities that compromise their reliability or security. Some of these vulnerabilities can lead to unexpected behaviour, data leakage or even complete system failure. It is critical to detect such issues early, at the Register Transfer Level (RTL), to allow them to be addressed before manufacturing, while fixes are still feasible and inexpensive. This dissertation presents a framework that automatically analyses RTL designs for known hardware weaknesses based on Common Weakness Enumeration (CWE)s. Unlike general-purpose approaches, the user specifies the particular CWE they wish to investigate and provides details about the RTL code, such as the module name and file path. The framework then determines whether the selected CWE is present in the provided RTL code. The system integrates static analysis, simulation and formal verification into a unified workflow to enable the detection of various types of weakness. The framework was de- veloped in Python and is connected to industrial-grade verification tools while remaining general and extensible by design. A comprehensive set of representative test cases was created to validate the framework. For each CWE, two RTL code samples were analysed: one containing the weakness and one not containing it. This approach allowed for a sys-tematic evaluation of the framework’s accuracy, including true and false positive/negative rates. The results demonstrate that the framework can detect most weaknesses with high precision and reliability, thereby showcasing its feasibility and industrial potential. The main contribution of this work is the development of a structured, automated methodology for CWE-based verification at the RTL. As well as improving detection coverage, the framework highlights how security and correctness checks can be embedded in the early stages of hardware design.
- VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA PASSIVO DE FORNECIMENTO INSTANTÂNEO DE ÁGUA QUENTEPublication . Ferreira, João Miguel Fernandes; Pina, João; Teixeira, RuiA necessidade de assegurar o fornecimento instantâneo de água quente sanitária (AQS) em edifícios residenciais tem impulsionado o desenvolvimento de abordagens disruptivas que ultrapassem as limitações das soluções tradicionais, frequentemente associadas a elevados níveis de ineficiência energética. As soluções de acumulação local de calor, baseadas em baterias térmicas com materiais de mudança de fase (PCM), asseguram o fornecimento imediato de água quente sem necessidade de circuitos de recirculação. Para além do conforto, esta abordagem preserva a energia acumulada proveniente de fontes renováveis, designadamente sistemas solares térmicos e bombas de calor, ao evitar recirculação em vazio, aumentando a fração renovável útil e a eficiência global do sistema. A originalidade desta solução e a importância de comprovar o seu desempenho em diferentes cenários de utilização levaram à identificação da necessidade de validação experimental do sistema de apoio ativo, responsável por repor a carga térmica quando o carregamento passivo é insuficiente. No presente trabalho, foi desen- volvido e validado um modelo de controlo do sistema de apoio, em condições representativas de uso real. Para tal, foi utilizada uma bancada experimental capaz de representar os perfis de consumo extraídos da literatura, abrangendo eventos intensivos (como duches) e intermitentes (como lavagens rápidas). A metodologia incluiu a definição dos parâmetros de análise, a execução do plano experimental e a avaliação da resposta térmica do sistema. Adicionalmente, o trabalho contemplou a análise do algoritmo de controlo do sistema de apoio e o desenvolvimento de uma interface autónoma de teste, capaz de controlar os eventos da bancada e impor condições de ensaio baseadas em dados empíricos documentados. Os resultados permitiram avaliar a eficácia do sistema de controlo, identificar limitações em determinados perfis de utilização e propor melhorias no algoritmo de atuação.
- Extreme Spatial Multiplexing for 6G communications Near-Field Beamfocusing and the study of Spectral Efficiency in multi-user MIMO communicationPublication . Sá, Mauro Ricardo Henriques de; Guerreiro, JoãoThis thesis explores the implications of near-field propagation for communications in frequency bands above 6 GHz, focusing on spatial multiplexing and its impact on channel models, beamforming, and interference management. The rapid evolution of wireless communication technologies has been driven by the quest for higher data rates, improved spectral efficiency, and an enhanced user experience. In this context, multi-user systems have emerged as a pivotal solution, enabling the simultaneous transmission of multiple data streams to different receivers within the same frequency band, thus significantly boosting communication capacity and efficiency. With the advent of Extreme Large Aper- ture Array (ELAA) and the increasing need to operate at higher frequencies, understanding the unique characteristics of near-field propagation has become crucial for optimizing system performance in modern wireless communication networks. The study begins with a review of the current state of wireless communications, tracing the evolution from previous generations of mobile networks to modern multi-antenna systems. Fundamental concepts related to ELAA’s are introduced, along with various channel models that describe propagation in both near-field and far-field scenarios. The characteristics of beam focusing and its implications for spatial multiplexing are also explored. In the main section of the thesis, these concepts are developed further through a detailed analysis of channel models and their importance in characterizing communication systems. Special attention is given to steering vectors, which are crucial for modeling propagation in both near-field and far-field conditions, as well as the impact of different modeling approaches on system performance. The beamforming process is investigated, emphasizing the role of steering vectors in its implementation, and its evolution with the propagation distance. Additionally, interference analysis is covered extensively, focusing on the computation of interference gain and its effects on communication with ELAA systems. A thorough study on spectral efficiency evaluates how propagation characteristics influence over- all communication performance, demonstrating the potential advantages of near-field propagation in massively distributed systems. The results obtained in this thesis highlight the significant benefits of near-field prop- agation for high-frequency communications, particularly in ELAA systems. The analysis demonstrates the potential of beam focusing and its crucial role in enhancing spectral efficiency and managing interference, contributing to a deeper understanding of next- generation wireless communication systems.
- Janela Inteligente 2030: Integração de vidro eletrocrómico e machine learning Abordagem inovadora para edifícios inteligentes e sustentáveis do futuroPublication . Jorge, Ricardo Manuel Rodrigues; Tavares, Rui; Pinto, Joana; Rocha, AndréA nova era de industrialização tem impulsionado um rápido desenvolvimento tecnológico em diversas áreas, nomeadamente em aplicações para casas inteligentes e todos os seus constituintes, permitindo que vários dispositivos inteligentes, comuniquem entre si, para troca de informação e coordenação de ações. Neste contexto, o conceito de Internet of Things (IoT) revela-se fundamental, permitindo que vários dispositivos se interliguem e comuniquem de uma maneira otimizada, criando um ambiente de simbiose entre todos os dispositivos, onde todos juntos atuam como um só sistema. No caso das casas e janelas inteligentes, utilizando vários mecanismos de IoT, é agora possível construir um sistema que, através de vários sensores, capte informação do meio inserido, comunique os dados recolhidos, por meio de protocolos de comunicação, para os dispositivos controladores, que em conjunto com ações do utilizador (utilizando uma plataforma Web ou uma aplicação móvel) e mecanismos de Machine Learning (ML), comandem todo o sistema. Atualmente, é de realçar a importância da introdução de mecanismos de Inteligência Artificial (IA), nomeadamente Machine Learning, neste tipo de sistemas. Através deste tipo de tecnologias, a experiência do utilizador torna-se muito mais completa a todos os níveis, no sentido em que o aparelho utilizado evolui e se adapta à vida da pessoa, com o objetivo final de antecipar as suas ações. Por fim, neste projeto pretende-se projetar e desenvolver um sistema, nunca antes desenvolvido perante o conhecimento do autor, onde se unem três tecnologias essenciais: janela inteligente; Machine Learning; vidro eletrocrómico inteligente. Prevê-se que esta última tecnologia, cada vez mais emergente no mercado de construção sustentável e do futuro, complemente as duas anteriores, tanto a nível energético, como de conforto para o utilizador. Isto é justificado pelas próprias características do vidro, que em comunhão com o mecanismo da janela inteligente e algoritmos de Machine Learning, podem desenvolver um novo produto ideal para combater e melhorar vários problemas atuais e do futuro.